锰硅合金

由锰、硅、铁及少量碳和其它元素组成的合金

硅锰合金是由锰、硅、铁及少量碳和其它元素组成的合金，是一种用途较广、产量较大的铁合金。含有足够硅量的锰铁合金，熔化温度范围 1075℃—1320℃。多在开口固定式矿热电炉中冶炼，近年已采用旋转、封闭式电炉生产。硅锰合金是冶炼中低碳锰铁和金属锰的还原剂，也作为炼钢生产中的复合脱氧剂和合金剂及脱硫剂。通常作为还原剂用的占40%，作脱氧剂和合金剂的占60%。

简史

20世纪初法国冶金学家在研究电硅热法生产中、低碳锰铁过程中，用碳从含锰高的硅酸锰矿还原出含Mn75%、Si20%～25%和碳约1%的锰硅合金，代替硅和硅铁作还原剂。第一次世界大战（1914～1918）末期，德国魏斯韦勒厂在1000kVA电炉内，用焦屑还原含约10%Mn的高炉渣，产出含Si16%的锰硅合金。1929年克莱门特（F.Clements）报导了含Mn60%～80%的锰硅合金中硅与碳含量间的关系。从图1中看出含Si>18%时，合金含C<1%。

性质

锰硅二元系相图见图1。在高温液相区有两个稳定化合物，Mn5Si3和MnSi。在液相线下的化合物有Mn6Si、Mn9Si、Mn3Si、Mn5Si2和Mn11Si9等。锰硅合金中含有约20%Fe，Mn-Si-Fe合金在锰角的液相线投影图见图2。图2中的粗黑虚线为有铁存在时Mn-Si系共晶点与包晶点的移动轨迹，即液相面相交线的投影。图2中还给出了Mn-Si系中的共晶反应点（e6、e7）、包晶反应点（p4、p5、p6、p7）及Mn-Si-Fe三元共晶点p1。锰硅合金在使用价值上的特点是含碳量与含硅量成反比（见图3）。这是因为锰的硅化物比碳化物稳定。商品锰硅铁合金（含Mn65%～75%、Si15%～25%）的密度约为6.3g/cm，熔化温度范围为1075～1320℃。

用途

锰硅合金加入钢液中脱氧，脱氧产物为MnSiO3。比FeSiO3的熔点低，表面张力较大，容易从钢液中上浮，因而钢中夹杂物较少。锰硅合金脱氧时，锰和硅的利用率均较高，所以锰硅合金是良好的复合脱氧剂。锰硅合金的锰碳比高，特别适合冶炼含锰的低碳钢。由于镇静钢、高强度低合金钢、不锈钢、耐热钢等产量的增加，锰硅合金的用量也相应增加。

生产工艺

锰硅合金是在埋弧还原电炉内，用碳还原锰矿和硅石炼成的。（工艺流程见图4）电炉容量3000～63000kVA，炉型可以是封闭式、半封闭式或敞口式。（见埋弧还原电炉）

原料

锰原料通常由几种锰矿。富锰渣、锰烧结矿等搭配组成。入炉成分要求为Mn>30%，Mn/Fe>4.5，P/Mn≤0.0035；硅石含SiO2>98%；焦炭含固定碳>80%，灰分<15%；熔剂有石灰（或石灰石）、白云石与萤石等，添加量根据锰原料的脉石组分、冶炼渣型及电炉容量等决定。

冶炼过程

在电炉冶炼时炉内分成4层，即炉料层、焦炭层、炉渣层与合金层。（图4）炉料层是矿石、熔剂与焦炭的混合物。在电极周围料层薄，下料速度快，靠炉墙料层厚。矿石受热收缩而出现细裂纹和孔穴，至下部变成网状。炉料区内MnO2与Fe2O3被CO还原或热分解成MnO和FeO。靠近焦炭层的矿石开始软化和生成熔点约为1200～1300℃的初渣。中国的锰矿含Al2O3较高，初渣的熔点可参考MnO-SiO2-Al2O3系相图（图5）。炉料层下面为焦炭层，厚约100mm，在锰硅合金冶炼中占有重要位置。熔融的炉料和初渣穿过此层时，被赤热的焦炭还原。焦炭层的焦炭孔隙中有大量的细金属粒，它是含Si20%～30%的合金。熔渣穿过焦炭层而进入炉渣层。在电极下端及其附近是焦炭粒，熔渣和金属粒的混合层。在电弧加热的高温下进行碳还原MnO与SiO2的反应。还原出来的合金下沉至熔池底部，形成合金层。

冶炼操作

锰硅合金的冶炼操作与高碳锰铁相似，但渣铁出炉温度应控制在1400～1500℃之间。炉渣熔点应选择在1300℃附近。炉渣熔点过高，则炉料过热，渣黏度大，渣中夹合金多；熔点低则成渣速度大于反应速度，造成炉内翻渣。提高炉渣碱度可以降低渣中MnO的含量，从而提高锰的回收率。但碱度过高会使二氧化硅的还原变得困难，渣量增加。确定适当的炉渣碱度十分重要。碱度CaO+MgO/SiO2应控制在0.6～1.1范围内。生产Si≥22%的锰硅合金取下限，生产Si≤14%的锰硅合金取上限。减少渣量是降低电耗，提高锰回收率的前提。降低渣量的主要途径是提高锰原料含锰量及选择Al2O3含量高的渣型。渣中Al2O3要控制在15%～20%。合金与渣需定时从炉内排出并将合金铸锭，炉渣则送冲渣场粒化，用作建筑材料。

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